DESAIN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM PADA BANGUNAN FOOD COURT DI WILAYAH SURABAYA - ITS Repository
,
TUGAS AKHIR – TF 141581 DESAIN BUILDING INTEGRATED
PHOTOVOLTAIC SYSTEM PADA BANGUNAN
FOOD COURT DI WILAYAH SURABAYAFINAL PROJECT – TF 141581 DESIGN OF BUILDING INTEGRATED
PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR FOOD COURT
PERNYATAAN BEBAS PLAGIASI Saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Muhammad Jamaluddin NRP : 2412100122 Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS dengan ini menyatakan bahwa tugas akhir saya berjudul DESAIN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM PADA BANGUNAN FOOD COURT DI WILAYAH SURABAYA adalah bebas dari plagiasi. Apabila pernyataan ini terbukti tidak benar, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan yang berlaku. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Halaman ini memang dikosongkan
Halaman ini memang dikosongkan DESAIN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM PADA BANGUNAN FOOD COURT DI WILAYAH SURABAYA Nama Mahasiswa : Muhammad Jamaluddin NRP : 2412 100 122 Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS Dosen Pembimbing : Gunawan Nugroho, Ph.D.
Nur Laila Hamidah, S.T., M.Sc
TRAK
Abstrak Performansi dari photovoltaic(PV) modul berhubungan langsung dengan suhu modul photovoltaic saat operasi. Suhu modul ini dipengaruhi oleh nilai iradiansi serta faktor pemasangan modul photovoltaic dalam hal ini terjadi karena suhu photovoltaic akan berkurang saat terkena udara, oleh karena itu celah udara antara modul photovoltaic dengan atap bangunan pada Building
Halaman ini memang dikosongkan DESIGN OF BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR FOOD COURT BUILDING AT SURABAYA Name : Muhammad Jamaluddin NRP : 2412 100 122 Department : Engineering Physics FTI-ITS Supervisor : Gunawan Nugroho, Ph.D.
Nur Laila Hamidah, S.T, M.T
ABSTRAK
Abstract The performance of photovoltaic (PV) modules directly related to the temperature of photovoltaic modules during the operation. The temperature of this module is influenced by the value of irradiance and photovoltaic module installation. Because the temperature of photovoltaic will be reduced when exposed to air, the air gap between the photovoltaic modules with the roof of Building Integrated Photovoltaic was investigated. The effect of the
Halaman ini memang dikosongkan
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena rahmat dan hikmat-Nya sehingga penulis diberikan kesehatan, kemudahan, dan kelancaran dalam menyusun laporan tugas akhir yang berjudul:
“DESAIN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC
SYSTEM PADA BANGUNAN FOOD COURT DI WILAYAH
SURABAYA”
Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan akademik yang harus dipenuhi dalam Program Studi S-1 Teknik Fisika FTI-
ITS. Penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Ibuku dan Bapakku tercinta yang telah memberikan segala dukungan baik moril maupun materil serta perhatiannya.
2. Bapak Agus Muhammad Hatta, ST, M.Si, Ph.D. selaku Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS.
9. Teman SMA seperjuangan di kampus tercinta yang lulus bersama saya periode ini.
10. Solitong F47 sebagai keluarga terdekat yang selalu memberikan dukungan dan kebahagiaan selama 4,5 tahun perkuliahan ini.
11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa mungkin masih ada kekurangan dalam laporan ini, sehingga kritik dan saran penulis terima. Semoga laporan ini dapat berguna dan bermanfaat bagi penulis dan pihak yang membacanya, jika ada pertanyaan silahkan menghubungi kontak yang ada.
Surabaya, Januari 2017
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL………………. .......................................... i LEMBAR PENGESAHAN ........... Error! Bookmark not defined. ABSTRAK ................................................................................. ix ABSTRACT ................................................................................ xi KATA PENGANTAR ............................................................. xiii DAFTAR ISI .............................................................................. xv DAFTAR GAMBAR .............................................................. xvii DAFTAR TABEL ..................................................................... xix DAFTAR NOTASI ................................................................... xxi
BAB I PENDAHULUAN ............................................................ 1
1.1. Latar Belakang .................................................................... 1
1.2. Rumusan Masalah ............................................................... 2
1.3. Tujuan ................................................................................. 3
3.6. Analisa Performansi Photovoltaic ..................................... 31
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ................ 33
4.1. Analisis Energi Matahari ................................................... 33
4.2.Analisis Pengaruh Celah Udara ......................................... 35
4.3. Analisis Performansi Photovoltaic Terhadap Posisi Pemasangan ....................................................................... 47
4.4 Analisis Pengaruh Kontur Tekanan Terhadap Kecepatan Udara Pada Bagian Bawah Modul .................................... 49
4.5. Analisis Pengaruh Distribusi Suhu Terhadap Performansi Photovoltaic....................................................................... 52
BAB V PENUTUP ..................................................................... 59
5.1. Kesimpulan ....................................................................... 59
5.2. Saran ................................................................................. 59 DAFTAR PUSTAKA ................................................................ 57 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Rangkaian elektronik ekuivalen photovoltaic ......... 6Gambar 2.2. Kurva karakteristik I-V dan P-V tentang perubahan intensitas matahari dan temperatur permukaan tetapphotovoltaic............................................................... 8
Gambar 2.3. Kurva karakteristik I-V dan P-V tentang pengaruh intensitas matahari tetap dan perubahan temperaturpermukaan photovoltaic ............................................ 9
Gambar 2.4. Intensitas Radiasi Matahari Indonesia (esdm.go.id)............................................................................... 11
Gambar 2.5. Grafik Rata-rata Radiasi Matahari Tahunan ......... 12Gambar 3.1. Diagram alir penelitian .......................................... 21Gambar 3.2. Gambar Atap Bangunan Food Court ..................... 23Gambar 3.3. Rangkaian elektrikal sistem ................................. 24Gambar 3.4. Sambungan antar modul photovoltaic ................... 28Gambar 4.9. Distribusi Kecepatan Pada Modul Photovoltaic dengan variasi Celah Udara (a) 0,06 m, (b) 0,08 mdan (c)0,1 m celah udara .................................... 43
Gambar 4.10. Distribusi Kecepatan Pada Modul Photovoltaic dengan variasi Celah Udara (a) 0,12 m, (b) 0,14 mdan (c) 0,16 m celah udara ................................. 44
Gambar 4.11. Distribusi Kecepatan Pada Modul Photovoltaic dengan variasi Celah Udara (a) 0,18 m dan (b) 0,2m celah udara ..................................................... 45
Gambar 4.12. Grafik Performansi dari photovoltaic dengan pemasangan yang berbeda ................................. 48Gambar 4.13. Gambar distribusi kecepatan dan tekanan pada kombinasi 4 modul dengan jarak 0,12m ............ 49Gambar 4.14. Gambar distribusi kecepatan dan tekanan pada bagian (a) depan (b) belakang (c) tengah (d)sambungan antar PV .......................................... 51
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Spesifikasi photovoltaic ............................................. 24Tabel 3.2. Data Lokasi ................................................................ 25Tabel 3.3. Konsumsi Beban Pada Studi Kasus ........................... 26Tabel 3.4. Informasi Lokasi ........................................................ 26Tabel 3.5. Data spesifikasi Boundary Condition ........................ 28Tabel 3.6. Properties Fluida (Gas Ideal) .................................... 29Tabel 3.7. Properties Photovoltaic .............................................. 30Tabel 4.1. Suhu Rata-Rata Photovoltaic. .................................... 47Halaman ini memang dikosongkan
DAFTAR NOTASI kWp = daya array photovoltaic S = radiasi rata rata harian pv Z = shading factor nPV = Jumlah modul photovoltaic kWp = Daya Array yang dibutuhkan Ppv = Daya satu modul photovoltaic Ipv = Arus keluaran dari modul photovoltaic (Ampere) Iph =Arus yang dihasilkan saat terjadi efek photovoltaic
(Ampere) Cp = Specific Heat (kJ/kg.K)
= Efisiensi cell photovoltaic saat T c
= Efisiensi cell photovoltaic saat suhu referensi r o mp = Koefisien suhu untuk daya maksimum (%/ o
C) I = Sudut datang beam radiation ( ) Rs = Hambatan pada arus keluaran (Ohm) Ns = Jumlah cell seri Np = Jumlah cell parallel A = Luasan yang terkena radiasi pada cell (m 2 ) q = Irradiansi terserap cell (W)
BAB I PENDAHULUAN
Rendahnya ketahanan negara di bidang energi merupakan salah satu penghambat pertumbuhan ekonomi nasional. Dewasa ini, permintaan sumber energi nasional yang paling tinggi diduduki oleh batubara sebesar 40% dan minyak bumi sebesar 23%, lalu diikuti oleh gas sebesar 22%, panas bumi sebesar 3% serta sumber energi terbarukan lainnya sebesar 12%. Alasan ini menjadikan suatu peluang untuk mengembangkan suatu energi alternatif terbarukan yang ramah lingkungan. (Ray R.D. dkk., 2005).
Energi matahari merupakan sumber energi yang melimpah. Energi surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang sekarang mulai popular karena kenaikan kebutuhan energi serta pengurangan pengunaan bahan bakar fosil (Ellabban, H, & F, 2014). Energi matahari dimanfaatkan dengan menggunakan fotovoltaic. Energi yang dihasilkan oleh photovoltaic (PV) penelitian sebelumnya sudah pernah dilakukan dengan melihat performansi dari roof-mounted solar panel namun tidak spesifik pada efek yang ditimbulkan oleh celah udara antara solar panel dan atap. Luasan celah udara lebih banyak ditentukan dari eksperimen dari pada investigasi spesifik. (Khedari, Hirunlabh, & Bunnag, 1997). Meneliti tentang solar kolektor pada atap dengan jarak antara atap dan insulasi bagian belakang solar kolektor sebesar 0,14 m (Khedari, Mansirisub, Chaima, Pratinthong, & Hirunlabh, 2000). Diketahui bahwa celah udara yang besar yang dikombinasikan dengan lubang masuk yang besar akan menghasilkan aliran yang tinggi namun aliran tersebut masih belum mencukupi untuk ventilasi udara bangunan. Dan disarankan untuk mengunakan celah udara untuk solar thermal kolektor antara 0,1 m sampai 0,14 m (Hirunlabh, Wachirapuwadon, Pratinthong, & Khedari, 2001). mendemonstrasikan tentang pentingnya menggunakan installed normal operating cell temperature (INOCT) yang bergantung pada celah udara dan juga beberapa faktor lainnya untuk memprediksi performansi dari sistem
Tujuan penelitian dalam pengerjaan tugas akhir ini ada tiga macam, yaitu:
1. Mampu mendesain Building Integrated Photovoltaic system yang sesuai untuk food court di wilayah Surabaya
2. Mengetahui pengaruh perubahan jarak antar modul surya photovoltaic dengan atap bangunan terhadap suhu modul surya photovoltaic
3. Menentukan jarak optimal modul surya terhadap atap pada Building Integrated Photovoltaic System.
Pada penelitian ini, ada beberapa batasan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu:
1. Data cuaca yang digunakan berasal dari data NASA pada wilayah di Indonesia.
2. Data suhu yang digunakan merupakan data sekunder yang didapat dari software berdasarkan data satelit.
Halaman ini memang dikosongkan
BAB II TEORI PENUNJANG
2.1. Photovoltaic Panel photovoltaic adalah implementasi teknologi dari energi terbarukan, merupakan salah satu perangkat yang memiliki kemampuan untuk mengkonversi energi foton yang berasal dari cahaya matahari menjadi energi listrik (Alsayid, Alsadi, Jallad, & Dradi, 2013). Dalam proses menghasilkan arus listrik, terjadi efek photovoltaic dimana sebuah lempengan yang terkena sinar matahari akan bereaksi sehingga energi listrik dapat dihasilkan. Panel photovoltaic terbuat dari bahan semikonduktor seperti 2 silikon, TiO dan sebagainya. Bahan yang sering digunakan dalam fabrikasi photovoltaic adalah silikon yang mempunyai sifat isolator dan konduktor sehingga sel memiliki kepekaan terhadap intensitas cahaya matahari. Dalam operasinya, photovoltaic tidak mungkin berada dalam kondisi ideal dimana tanpa adanya gangguan yang mempengaruhi kinerja modul photovoltaic. Gangguan itu dapat berupa intensitas matahari yang berubah-ubah, posisi matahari
Gambar 2.1. Rangkaian elektronik ekivalen photovoltaicRangkaian di atas merupakan hasil pendekatan secara elektrik yang dapat merepresentasikan arus keluaran dari modul photovoltaic. Rangkaian ekuivalen di atas juga merupakan model umum dari panel photovoltaic yang tediri dari sumber arus, dioda, resistor parallel yang menggambarkan keluaran arus dan resistor seri yang mendeskribsikan resistansi internal di dalam aliran arus. Cell dari panel photovoltaic mengeluarkan daya yang sangat kecil,
=
2.2 Keterangan: Ipv = arus keluaran dari modul photovoltaic (Ampere) Iph = arus yang dihasilkan saat terjadi efek photovoltaic (Ampere) I = arus saturasi reverse (Ampere) Vpv = tegangan keluaran modul photovoltaic (Volt) k = konstanta boltzman (1.3806.10-23 J.K-1) T = temperatur permukaan modul photovoltaic (K) Rsh = hambatan shunt (Ohm) Rs = hambatan pada arus keluaran (Ohm) Ns = jumlah cell seri Np = jumlah cell parallel A = luasan yang terkena radiasi pada cell q = irradiansi terserap cell
2013). Pada gambar 2.2 perubahan intensitas matahari menurun 2 2 2 dari nilai 1000 W/m , 600 W/m dan 200 W/m dengan nilai temperatur 273 K. Setiap penurunan intensitas matahari, maka akan terjadi penurunan besaran arus pada keluaran photovoltaic dan tegangan yang ditunjukan pada kurva I-V. Selain mengalami penurunan keluaran besaran arus, terjadi penurunan daya dan tegangan yang ditunjukan pada kurva P-V. Daerah kerja maksimum dari modul photovoltaic berada pada perpotongan pada kurva V-I dengan kurva P-V. Pada daerah tersebut, modul photovoltaic dapat menghasilkan tegangan dan arus keluaran maksimum sehingga daya maksimum dapat dihasilkan pula.
Gambar 2.3 sama seperti gambar 2.2 menunjukan karakteristik I-V dan P-V pada panel photovoltaic yang terjadiperubahan adalah temperatur dari nilai 373 K, 328 K dan 298 K. Pada kurva I-V terjadi kenaikan arus dan tegangan saat terjadi penurunan temperatur permukaan panel photovoltaic. Kurva P-V, keluaran daya semakin besar dengan penurunan temperartur. Daerah kerja maksimum dari modul photovoltaic berada pada
2.2. Potensi Energi Surya di Indonesia Indonesia memiliki potensi energi terbarukan yang cukup melimpah. Diantaranya adalah energi matahari yang dapat dikonversikan menjadi energi surya. Telah dinyatakan oleh kementrian ESDM melalu pemetaan persebaran intensitas matahari Indonesia seperti gambar 2.4
Data tersebut menunjukan bahwa ketersediaan radiasi matahari di KTI lebih tinggi dan lebih merata sepanjang tahun dibandingkan dengan KBI. Surabaya yang merupakan bagian dari kawasan timur Indonesia, memiliki potensi radiasi matahari yang baik dan stabil. Apalagi letaknya yang berada di pesisir pantai laut jawa. Data rata-rata intensitas radiasi matahari Surabaya mencapai 5,6 kWh/m2/hari (eosweb.larc.nasa.gov) pada tahun 2015
2.3. Energi Radiasi Surabaya
8 i ar
6 2 /h m
4 h/ W
2 i k as di
1
2
3
4
5
6
7
8 9 10 11 12 Ahmed, dkk).
Gambar 2.6. Extraterrestrial dan referensi fotovoltaik spektrum suryaPengukuran radiasi matahari distabilkan dan diambil nilai rata-rata seri-pararel menjadi sebuah pv modul yang bisaanya terdiri dari 72 sel surya, selanjutnya rangkaian modul photovoltaic akan digabungkan membentuk PV array. Berdasarkan lokasi pemasangan sistem PLTS dibagi menjadi dua jenis yaitu, sistem PLTS pola tersebar dan sistem PLTS pola terpusat. Berdasarkan aplikasi dan konfigurasinya PLTS terbagi menjadi 2 jenis yaitu PLTS off-grid dan PLTS on-grid atau yang lebih dikenal dengan grid connected.
2.4.1 Off-Grid System PLTS off-grid merupakan sistem PLTS yang tidak terhubung dengan jaringan listrik yang sudah ada. Sistem ini berdiri sendiri. Pada sistem ini bisaanya merupakan sistem dengan pola pemasangan tersebar dan dengan kapasitas energi yang dibangkitkan skala kecil. Sistem ini bisaanya dilengkapi dengan storage tenaga listrik dengan media penyimpanan baterai. Dengan tujuan baterai dapat menjamin ketersediaan pasokan listrik saat kondisi cuaca tanpa matahari.
Gambar 2.7 Diagram sistem PLTS grid-connected (Gatot. 2012).2.4.2.1 Grid-Connected Distributed Photovoltaic System Grid-connected distributed photovoltaic system merupakan sistem PLTS on-grid yang menyediakan daya listrik untuk pelangan yang terhubung dengan jariangan listrik yang spesifik. Contohnya photovoltaic system pada kawasan rumah yang terhubung jaringan tegangan rendah 230 V AC. Dalam hal ini setiap rumah memiliki photovoltaic system sebagai salah satu sumber tenaga listrik selain terhubung dan memperoleh pasokan Posisi letak sel surya (array) terhadap matahari (tilt angle) (Sunaryo, 2014).
2.5.1 Temperature PV Modul Sebuah sel surya dapat beroperasi secara maksimum jika O temperatur sel tetap normal (pada 25
C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperature normal pada panel surya akan melemahkan voltage. Setiap kenaikan temperatur sel surya 1 derajat celcius (dari 25 derajat) akan berkurang sekitar 0.5% pada total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah dua kali lipat untuk O kenaikkan temperatur sel per 10
C. (Wulandari, 2010). Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array.
Keadaan atmosfir bumi,berawan,mendung,jenis partikel debu udara, asap, uap air, kabut dan polusi menentukan hasil arus listrik dari deretan PV.Untuk menghitung besarnya daya yang berkurang O pada saat temperatur di sekitar PV modul mengalami kenaikan C dari temperatur standarnya, dipergunakan rumus sebagai berikut
Gambar 2.8. Distribusi suhu dari modul PV untuk 2 konfigurasi pemasangan yang berbeda di beberapa lokasi (Kurtz, Whitfield,Tamizhmani, & et al., 2011)
2.5.2 Orientasi Panel atau Array Orientasi dari rangkaian PV (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maksimum. Selain arah orientasi, sudut surya secara tegak lurus akan mendapatkan energi maksimum ± 1000W/m2 atau 1 kW/m2.
CFD merupakan analisis suatu sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena sejenis lain yang terkait, misalnya reaksi kimia dengan mengunakan simulasi computer(Veersteeg HK,1995). Pemodelan CFD didasarkan pada penyelesaian persamaan Navier-Stokes, yaitu persamaan massa, momentum dan energi pada setiap titik pada grid dua atau tiga dimensi.
Simulasi berbasis CFD mulai dikembangkan sejak tahun 1960 an, namun masih terbatas pada bidang penelitian luar angkasa. Untuk saat ini software ini sudah digunakan secara luas pada industry manufaktur hingga industry kimia. Kelebihan mengunakan CFD dalam analisa adalah insight, foresight, dan efisiensi waktu. Komputasi yang digunakan pada CFD berdasarkan pada prinsip hukum kekekalan energi, massa, dan momentum.
Post-processing merupakan tahap dimana hasil simulasi CFD di intrepertasikan ke dalam gambar, grafik, serta animasi(untuk transient). Simulasi yang ditampilkan dapat berupa kontur warna atau dengan tabel serta vector untuk kecepatan.
Halaman ini memang dikosongkan
BAB III METODOLOGI PENELITIAN Diagram alir penelitian tugas akhir ini digambarkan pada Gambar 3.1 dengan penjelasan masing masing langkah dijelaskan pada subbab berikut. Mulai Studi Literatur Pengumpulan Data yang Diperlukan Pada Simulasi Perumusan Masalah Analisa Performansi Photovoltaic Penarikan Kesimpulan Penyusunan Laporan Akhir A Berikut adalah rincian metodologi penelitian yang akan dilaksanakan pada tugas akhir kali ini: a) Perumusan masalah cakupan bahasan penelitian.
b) Studi literatur tentang Building Integrated Photovoltaic.
c) Studi literatur terhadap materi yang terkait dengan pelaksanaan tugas akhir yang akan dilakukan, mengenai kesetimbangan panas pada photovoltaic serta factor yang mempengaruhi suhu dari photovoltaic.
d) Studi literatur terhadap materi yang terkait dengan factor yang mempengaruhi performansi dari photovoltaic seperti suhu dan iradiansi.
e) Pengambilan data dilapangan meliputi beban yang ada pada studi kasus, dan pengambilan data sekunder seperti data iradiansi dan suhu rata-rata harian pada lokasi yang di tinjau.
f) Merancang simulasi aliran udara pada photovoltaic dengan mengunakan Computational Fluid Dinamic Fluent g) Mensimulasikan posisi pemasangan photovoltaic pada sistem untuk mengetahui efek dari konveksi alam terhadap suhu photovoltaic. Cara kerja software yang digunakan dan sistem pengambilan data yang dibutuhkan.
3.2. Perumusan Masalah Sebelum melakukan penelitian, maka dibuat perumusan masalah yang menentukan cakupan pembahasan. Dalam penelitian ini terdapat beberapa cakupan masalah yaitu, bagaimana optimalisasi desain Building Integrated-Photovoltaic System yang cocok untuk food court di wilayah surabaya, bagaimana pengaruh pemasangan posisi photovoltaic pada atap bangunan terhadap performansi photovoltaic serta faktor faktor yang dapat mengoptimalkanya untuk meningkatkan performansi.
3.3. Pengumpulan Data yang dipelukan Pada Simulasi Data yang diperlukan untuk parameter masukan meliputi temperatur suhu ruangan, spesifikasi komponen yang digunakan, luas dari atap bangunan, beban maksimal bangunan pada satu waktu, iradiasi pada daerah, kecepatan angin daerah.
o
Koefisien suhu untuk Isc (0,065±0,015)%/ C o Koefisien suhu untuk Voc -(160±20)mV/ C o
Koefisien suhu untuk daya -(0,5±0,05)%/ C o NOCT 47±2 C
Solar Module BP 3165 Width 790 mm 1593 mm
Length 2 Area 1,25847 m Height 50 mm
15.4 Kg Weight
Tabel 3.2. Data LokasiNo Parameter Nilai o
1 Latitude -7,235 o
2 Kemiringan Atap
20
3 Suhu Udara 301.9 K
4 Kecepatan Angin 1 m/s 2
5 Gravitasi 9,8m/s
Tabel 3.3. Konsumsi Beban Pada Studi KasusKapasitas Jam Operasi Konsumsi Jenis Beban Jumlah total(kW) per hari(h) Energi kWh Kulkas 145W
2
0.28
10
2.8 Kulkas 74W
5
0.37
10
3.7 Penanak Nasi
2
0.75
10
7.5 Pend. Minuman 3 0.516
10
5.16 Dispenser
5
1.75
10
17.5 Blender
2
0.75
10
7.5 Total Konsumsi Energi per hari
44.16 Konsumsi energi pertahun 16118.4
Tabel 3.4. Informasi LokasiFood Court Convention Hall, Nama tempat
Surabaya Koordinat -07° 17' 22", 112° 47' 01" altitude 3 m S = radiasi rata rata harian pv Z = shading factor Maka untuk mencari nilai kWp dari persamaan 3.1 adalah sebagai berikut
Output
kW p3.2
, 8 xSxZ pv
Dari persamaan 3.2 didapat nilai daya maksimum p maka photovoltaic yang digunakan pada sistem sebesar 10,4kW digunakan inverter dengan kapasitas 3,8kW sebanyak 2 buah dan 3kW sebanyak 1 buah. Jumlah photovoltaic yang digunakan dapat dicari dari persamaan 3.3
kWp nPV
3.3 Ppv Dimana nPV = Jumlah modul photovoltaic kWp = Daya Array yang dibutuhkan modul photovoltaic. Pemasangan photovoltaic terletak di bagian atap bangunan dengan material aluminium.
Dimasukkan data seperti nilai konduktifitas dari bahan serta geometry yang ada, gambar property bahan dilihat di tabel 3.1. Setelah itu maka dibuat geometry photovoltaic dengan konfigurasi 3 modul, 4 modul dan 5 modul. Hal ini dilakukan untuk mengetahui profil perubahan suhu terhadap jumlah modul yang dipasang serta perubahan air gap dengan jarak antara 0,1 m sampai dengan 0,2m dengan increment 0,02m. gambar 3.8 menjelaskan tentang mesh pada sambungan antara photovoltaic dengan photovoltaic yang lainnya
Tahapan setelah pre-processing ialah processing. Pada tahap Processing mengatur Solver Model, viscous model, materials, control and monitoring condition, serta initializing conditions.
Kemudian dilakukan proses iterasi untuk menyelesaikan proses simulasi. Berikut ini adalah penjelasan mengenai langkah-langkah dalam processing.
3.5.3.1 Solver model Persamaan energi yang ada pada solver model diaktifkan untuk mendukung penyelesaian heat transfer dan komprebilitas aliran terhadap perubahan temperatur dan tekanan. Untuk turbulence modeling yang digunakan ialah k-epsilon. Pemilihan k- epsilon karena model ini mendukung perhitungan natural convection pada sekitar photovoltaic.
3.5.3.2 Material
Tabel 3.7. Properties PhotovoltaicProperties Nilai Tebal Material(m) 0,0038351 3 Density(Kg/m ) 2646,9948
594,255926 Specific Heat (Cp) (KJ/Kg.K)
1,0663 Thermal Conductivity(W/m.K)
3.5.3.3 Boundary Condition Pada boundary condition terdapat beberapa variabel yang dimasukkan sebagai parameter simulasi. Variabel yang digunakan tertera pada tabel 3.2.
3.5.3.4 Control and Monitoring Solution Solution control yang digunakan pada metode pressure- velocity coupling adalah SIMPLE dengan diskritasi first order upwind untuk seluruh parameter selain pressure. Pada Discretization Method untuk tekanan dipilih PRESTO!. Pada
Pada tahap post processing didapatkan hasil simulasi berupa nilai temperatur wall boundary PV pada masing masing modul serta kecepatan aliran pada bagian bawah modul. Selain nilai didapat juga persebaran panas pada bagian yang telah dilakukan pre-processing.
3.6. Analisa Performansi Photovoltaic Pada tahap ini dilakukan analisa terhadap suhu photovoltaic terhadap performansi dari photovoltaic dengan membandingkan daya yang keluar dengan kondisi suhu berdasarkan persamaan (Duffie & Beckman, 2006)
Tn 20 c
T T G c a1
3.4
800
Efisiensi modul berdasarkan suhu didapat dari persamaan
c r mp c r 1 T T
3.5 Sehingga perkiraan suhu sel photovoltaic dapat dicari dengan Dan dicari dengan persamaan 3.8. (Chatzipanagi, Frontini, & Virtuani, 2016)
PR=(E/P STC )/(G/G STC )
3.8 Dimana E= Energi yang dihasilkan modul (Wh) PR= Rasio Performansi STC P = Daya modul saat STC(Standart Test Condition)(W) 2 G = Iradiansi yang diterima modul(Wh/m ) STC 2 G = Iradiansi saat STC (W/m )
Gambar 3.5. Blok diagram plant MIMOGambar 3.6. Blok diagram gain plant kolom depropanizerBAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan membahas hasil simulasi mengenai pengaruh pemasangan modul photovoltaic terhadap suhu photovoltaic dengan variasi lebar celah udara antara photovoltaic array dan atap bangunan. Dan membahas tentang hasil desain sistem photovoltaic yang dibutuhkan
4.1. Analisis Energi Matahari Surabaya berada pada 07.28 o Lintang Utara dan 112.78 o Bujur timur yang termasuk memiliki nilai iradiasi yang cukup selama setahun. Iradiasi matahari perhari berkisar antara 4,73 kWh/m 2 /hari sampai dengan 6.05 kWh/m 2 /hari dengan rata-rata sinar matahari harian 7 jam. Performansi dari sistem photovoltaic sangat dipengaruhi oleh kondisi cuaca dan iklim daerah seperti suhu udara, iradiansi, kecepatan angin dll. Variasi suhu ruangan dan iradiansi dapat dilihat pada gambar 4.1.
Gambar 4.2. Grafik Iradiansi di daerah SurabayaPada gambar 4.1 menunjukkan rata-rata iradiansi horisontal, radiasi sinar langsung, dan radiasi terpendar serta suhu o o harian. Suhu ambient harian bervariasi antara 23 C sampai 30 C
Gambar 4.3. Grafik energi yang dihasilkan oleh sistem selama satu tahun photovoltaic atau pv panel didapat langsung dari simulasi. Pada 2 simulasi ini nilai iradiansi yang digunakan sebesar 1107 W/m o dengan suhu ambient 28.9 CGambar 4.4. Kontur suhu pada modul photovoltaicPada gambar 4.3 menunjukkan distribusi suhu pada modul photovoltaic dengan jarak 0,12m diatas atap bangunan yang o aa 2
Gambar 4.5. Distribusi panel pemasangan 5 modul dengan air gap0,12m
(b) Distribusi kecepatan udara pada bagian tengah modul (c) Distribusi kecepatan udara pada sambungan antar modul
(d) Distribusi kecepatan udara pada bagian bawah modul (d)
Gambar 4.6. Distribusi kecepatan udara pada modul photovoltaic dengan jarak air gap 0,12m dan jumlah modul 5 (a) bagian depan omaksimum modul photovoltaic sebesar 78.854
C. untuk distribusi suhu pada sambungan yang lain memiliki pola yang hampir sama meski dengan suhu yang berbeda dikarenakan suhu udara yang melalui menjadi semakin panas hal ini dapat dilihat dengan warnah biru muda yang berada pada sekitar bagian bawah photovoltaic yang semakin banyak searah dengan arah angin.
Suhu Maksimum
82
81
80
79
78
77
76 Air gap Air gap Air gap Air gap Air gap Air gap Air gap Air gap
0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 distribusi suhu yang lebih tinggi dari yang lain pada bagian bawah modul photovoltaic karena volume yang mengalir pada bagian bawah semakin kecil. Terlihat pada gambar 4.5cpada modul photovoltaic yang terakhir distribusi suhu menjadi semakin banyak dengan kontur warna hijau muda.
4.2.2 Analisis Pengaruh Jarak Celah Udara Terhadap Kontur Kecepatan Fenomena perubahan kontur kecepatan berdasarkan perubahan besar celah udara antara modul dengan atap bangunan yang didapat dari simulasi dapat dilihat pada gambar berikut:
(a) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,06m
(c) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,1m
(b) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,14m (c) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,16m
(a) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,18m (b) Kontur kecepatan dan suhu pada jarak 0,2m
Pada gambar 4.9 menunjukkan tentang perubahan distribusi suhu yang semakin berkurang distribusi warna merah pada jarak celah udara 0,6 ke jarak 0,8 hal ini berarti suhu modul photovoltaic semakin menurun saat terjadi perubahan dari 0,06 ke 0,08 dan saat diturunkan sampai ke 0,1 distribusi warna kuning menjadi lebih sedikit dan berganti menjadi warna hijau meskipun letak persebaran distribusi masih sama, hal ini terjadi karena karakteristik dari persebaran angin pada daerah tersebut yang semakin menurun saat mendekati bingkai alluminium hal ini terjadi karena saat udara membentur dinding maka akan terjadi peningkatan tekanan pada bagian tersebut dan sebagian kecil aliran udara akan berjalan keatas karena geometri dari aluminium, namun volume udara yang berputar pada samping bingkai aluminium sangat kecil sehingga tidak maksimal dalam mengurangi suhu dari modul photovoltaic. Udara yang melewati bagian frame aluminium tadi sebagian akan mengalami perputaran pada daerah tersebut dan sebagian lain akan mengikuti aliran yang berada dibawahnya hal ini mengakibatkan pola distribusi suhu yang akan semakin
4.3. Analisis Performansi Photovoltaic Terhadap Posisi Pemasangan Pada Sub Bab ini akan dibahas tentang performansi photovoltaic terhadap posisi pemasangan modul photovoltaic pada array. Pada subab 4.2 didapatkan pengaruh dari celah udara terhadap penurunan suhu modul photovoltaic serta pengaruh pola pemasangan jumlah modul array. Simulasi yang dilakukan terhadap variasi jarak dan tipe pemasangan modul photovoltaic menghasilkan data suhu rata-rata photovoltaic terhadap jarak celah udara pada variasi pemasangan yang berbeda beda yang terdapat pada Tabel 4.1 berikut: Tabel 4.1. Suhu Rata-Rata Photovoltaic.
Panjang Modul
3
4
5 0.06 66.459 62.170 63.367 )
0.08 64.824 59.821 60.781 (m ra
0.1 63.465 60.298 60.206 da
0.12 62.913 57.833 57.983
97.00% 95.00% si an
93.00% rm rfo
91.00% Pe
89.00% 87.00% 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
0.2 Jarak 3 modul 4 modul 5 modul
Gambar 4.12. Grafik Performansi dari photovoltaic dengan pemasangan yang berbedaGrafik 4.12 menunjukkan tentang kenaikan nilai performansi sebanding dengan perubahan jarak celah udara, hal ini dapat dilihat
4.4 Analisis Pengaruh Kontur Tekanan Terhadap Kecepatan Udara Pada Bagian Bawah Modul Dalam sub bab ini akan dibahas tentang pengaruh dari tekanan terhadap distribusi kecepatan pada bagian bawah modul photovoltaic pada konfigurasi 4 modul dengan jarak 0,12m.
Analisis data dilakukan secara kualitatif denngan mengunakan visualisasi kontur tekanan dan vektor kecepatan untuk melihat efek perubahan tekanan pada masing masing bagian modul photovoltaic. Fenomena distribusi kecepatan dan tekanan dapat dilihat pada gambar 4.13 sampai dengan 4.15.
(a) Distribusi kecepatan dan tekanan pada bagian depan modul (b) Distribusi kecepatan dan tekanan pada bagian belakang modul
(c) Distribusi kecepatan dan tekanan pada bagian tengah modul (d) Distribusi kecepatan dan tekanan pada sambungan antar modul
Dari gambar 4.14 diketahui bahwa terjadi penurunan tekanan pada bagian depan dari array photovoltaic hal ini dikarenakan pada bagian tersebut terjadi pembelokan aliran karena bentuk dari frame modul photovoltaic sehingga terjadi penurunan tekanan. Hal ini mengakibatkan kecepatan pada bagian tersebut memiliki nilai yang paling besar dikarenakan terjadi perbedaan tekanan pada bagian depan dan bagian atas depan modul. Pada lampiran D dapat dilihat bahwa kecepatan angin pada bagian tersebut memiliki nilai paling tinggi untuk semua variasi. Pada bagian antar sambungan terjadi perbedaan tekanan diantara sambungan PV sebelum dan sesudahnya sehingga kecepatan udara pada bagian tersebut memiliki nilai yang lebih tinggi dari daerah yang lain. Dari gambar 4.13 dapat disimpulkan bahwa tekanan pada bagian bawah modul berpusat pada sambungan antar frame dan tekanan tertinggi ada pada depan modul. Sedangkan untuk bagian depan frame pada sambungan memiliki kecepatan yang kecil dikarenakan terjadi
Gambar 4.15. Gambar distribusi suhu pada kombinasi 4 modul dengan jarak 0,12m(b) Distribusi suhu pada bagian belakang modul
(d) Distribusi suhu pada sambungan antar modul (d)
Gambar 4.16. Gambar distribusi suhu pada bagian (a) depan (b) tinggi daripada bagian yang lainnya. Dari gambar 4.16 distribusi suhu photovoltaic terdapat suhu maksimum pada bagian belakang frame alluminium. Suhu maksimum untuk masing masing photovoltaic dapat dilihat pada gambar 4.17Suhu Maksimum 79.938
80.000 79.900 79.800 79.700
79.611
79.536 79.600 79.50079.411 79.400 79.300 79.200 79.100 suhu lebih dingin hal ini terjadi karena kecepatan udara pada bagian bawah PV tidak terkena halangan dari frame.
Halaman ini memang dikosongkan
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi analisis data yang telah dilakukan, kesimpulan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1 Desain sistem bangunan terintegrasi photovoltaic pada wilayah di Surabaya dengan mengunakan modul photovoltaic sebesar 10,4kWp dengan kebutuhan pertahun 16MWh, pemasangan photovoltaic digunakan dengan cara menghadap keatas dan jarak antara atap ke array modul sebesar 0,12m variasi ini dapat meningkatkan performansi photovoltaic sebesar 3% dengan celah 0,06m.
2 Celah udara pada pemasangan photovoltaic pada atap bangunan perlu diperhatikan karena akan menghasilkan suhu yang berbeda pada photovoltaic dimana semakin besar jarak maka penurunan suhu akan semakin besar.
3 Jarak minimal yang diperlukan oleh photovoltaic agar
Halaman ini memang dikosongkan
DAFTAR PUSTAKA Alsayid, B. A., Alsadi, S. Y., Jallad, J. S., & Dradi, M. H. (2013). Partial Shading of PV System Simulation with Experimental Results. Scientific Reasearch, 429-435. Chatzipanagi, A., Frontini, F., & Virtuani, A. (2016). BIPV-temp:
A demonstrative Building Integrated Photovoltaic Installation. Applied Energy 173, 1-12. Duffie, J., & Beckman, W. (2006). Solar Engineering of Thermal Processes. New Jersey: John Wiley & Sons. Gatot. (2011). Perancangan Sistem Hibrid PLTS dengan Jala- Jala. Ghosh, S. K., Shawon, M. H., & Rahman, A. (2013). Modeling of
PV Array and Analysis of Different Parameters. In ternational Journal of Advancements in Research & Technology, 358 -363. Nguyen, X. H. (2015). Matlab/Simulink Based Modeling to Study Effect of Partial Shadow on Solar Photovoltaic Array.
Environmental System Research, 4:20. Preetham Goli, W. S. (2015). Control and Management of PV Integrated Charging Facilities for PEVs. Springer, 23-52.
Rajitha Reddy, A. V. (2015). Design and Implementation of Maximum Power Point Tracking Using Fuzzy Logic Controller for Photovolltaic for Cloudy Weather Conditions. IJRREEE, II(2), 130 - 135.
Setiawan. (2014). Analisis Unjuk Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Plts) Satu MWP Terinterkoneksi Jaringan di Kayubihi. Bangli.
Sunaryo. (2014). Analisis Daya Listrik yang Dihasilkan Panel Surya Ukuran 216 cm x 121 cm Berdasarkan Intensitas Cahaya. Riau: Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Riau.
LAMPIRAN B DESAIN BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC
s ta k a pa am n t una ng
LAMPIRAN C DATASHEET KOMPONEN SISTEM YANG DIGUNAKAN
LAMPIRAN D Lampiran D.1 Gambar kontur tekanan pada variasi jarak celah udara
Kombinasi 4 modul dan jarak 0,06m